CZ306268B6 - Method of measuring energy distribution of cathode electron emission with small virtual source and energy spectrometer for making the same - Google Patents
Method of measuring energy distribution of cathode electron emission with small virtual source and energy spectrometer for making the same Download PDFInfo
- Publication number
- CZ306268B6 CZ306268B6 CZ2014-373A CZ2014373A CZ306268B6 CZ 306268 B6 CZ306268 B6 CZ 306268B6 CZ 2014373 A CZ2014373 A CZ 2014373A CZ 306268 B6 CZ306268 B6 CZ 306268B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- electron beam
- electron
- energy
- virtual source
- optical axis
- Prior art date
Links
Landscapes
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Způsob měření energiového rozdělení emise elektronů z katod s malým virtuálním zdrojem a energiový spektrometr pro provádění tohoto způsobuA method of measuring the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source and an energy spectrometer for performing the method
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká způsobu měření energiové šířky emitovaných elektronů ze zdrojů, jejichž virtuální velikost nepřesahuje 100 nm.The invention relates to a method for measuring the energy width of emitted electrons from sources whose virtual size does not exceed 100 nm.
Dosavadní stav technikyPrior art
Současná elektronová mikroskopie, jak prozařovací, tak i rastrovací, využívá jako zdroje elektronů převážně katody, jejichž emisní mechanismus je založen na efektech čistě tunelových, respektive tunelových stimulovaných zvýšením teploty emitéru. Takovéto zdroje elektronů vykazují mnohonásobně větší směrovou proudovou hustotu elektronového svazku, čímž umožňují dosáhnout výrazně lepšího poměru signálu k šumu při formování elektronově optického obrazu. Navíc tyto emitéry představují v principu bodové zdroje, z jejichž středu elektrony zdánlivě vycházejí. Velikost tohoto zdánlivého bodu, nazývaného „virtuální zdroj“ je dle konkrétního uspořádání v rozmezí 1 až 100 nm.Current electron microscopy, both transmission and scanning, uses as electron sources mainly cathodes, the emission mechanism of which is based on the effects of purely tunnel or tunnel stimulated by increasing the emitter temperature. Such electron sources have a much higher directional current density of the electron beam, thus making it possible to achieve a significantly better signal-to-noise ratio in the formation of the electron-optical image. Moreover, these emitters are in principle point sources, from the center of which the electrons seem to emanate. The size of this apparent point, called the "virtual source", is in the range of 1 to 100 nm, depending on the particular arrangement.
Takovéto malé rozměry virtuálního zdroje jsou výhodné v oboru prozařovací elektronové mikroskopie proto, že koherence osvětlovacího elektronového svazku je vysoká a dovoluje dosahovat optimálních hodnot fázového kontrastu. V oboru rastrovací elektronové mikroskopie je malý rozměr virtuálního zdroje zásadním parametrem umožňujícím snížit počet elektronově optických zmenšovacích prvků na minimum a získat takto výhodnější poměr mezi finálním rozměrem zaostřeného svazku a jeho elektronovým proudem.Such small dimensions of the virtual source are advantageous in the field of transmission electron microscopy because the coherence of the illumination electron beam is high and allows optimal phase contrast values to be achieved. In the field of scanning electron microscopy, the small size of the virtual source is an essential parameter to reduce the number of electron-optical reduction elements to a minimum and thus obtain a more advantageous ratio between the final dimension of the focused beam and its electron current.
Malý rozměr virtuálního zdroje vzniká vždy, kdy je využíváno mimo tepelného procesu emise elektronů také procesu tunelování elektronů z povrchu katody do vakua díky vysokému gradientu elektrostatického pole před povrchem emitéru. Takto vysokého gradientu elektrostatického pole, se dosahuje pomocí zahrocení vrcholu katody do tvaru kužele zakončeného kulovým vrchlíkem, jehož poloměr se pohybuje v rozmezí od R = 10 nm až R = 1000 nm. Elektrony emitované z kulové plochy vrchlíku kužele jsou nejprve velkým gradientem elektrostatického pole z kovového materiálu katody uvolněny do vakua (díky procesu tunelování zúženou potenciálovou bariérou) a potom urychleny na velmi krátké dráze ve směru radiálním ke kulovému vrchlíku. Takto vytvořené katody se někdy nazývají hrotové. Elektrony virtuálně vyletují z fiktivního středu kulového vrchlíku. Rozměr tohoto bodu (virtuálního zdroje) je funkcí skutečného poloměru a tvaru kulového vrchlíku a navíc teploty katody, při které k emisi elektronů dochází. Větší poloměr vrchlíku a vyšší teplota katody vede zákonitě ke zvětšení rozměru virtuálního zdroje. V současné době nejčastěji používané katody mají rozměry virtuálního zdroje počínaje od 2 nm (ostré autoemisní katody pracující při pokojové teplotě, nebo nižší) po 25 nm (termo-autoemisní katody s poloměrem hrotu 1000 nm pracující při teplotách 1800 K).The small size of the virtual source is created whenever, in addition to the thermal process of electron emission, the process of tunneling electrons from the cathode surface to vacuum is used due to the high gradient of the electrostatic field in front of the emitter surface. Such a high gradient of the electrostatic field is achieved by pointing the tip of the cathode into the shape of a cone terminated by a spherical cap, the radius of which ranges from R = 10 nm to R = 1000 nm. The electrons emitted from the spherical surface of the cone canopy are first released into a vacuum by a large electrostatic field gradient from the metallic material of the cathode (due to the tunneling process by a narrowed potential barrier) and then accelerated in a very short path radially to the spherical canopy. The cathodes thus formed are sometimes called apical. The electrons fly out virtually from the fictitious center of the spherical canopy. The dimension of this point (virtual source) is a function of the actual radius and shape of the spherical canopy and, in addition, the temperature of the cathode at which electron emission occurs. A larger canopy radius and a higher cathode temperature naturally increase the size of the virtual source. Currently, the most commonly used cathodes have virtual source dimensions ranging from 2 nm (sharp autoemission cathodes operating at room temperature or lower) to 25 nm (thermo-autoemission cathodes with a tip radius of 1000 nm operating at 1800 K).
Všechny katody typu „hrotových“ pracují v přímém emisním módu. To znamená, že nevyužívají prostorového elektrostatického náboje k formování reálného křižiště elektronového svazku, ale naopak pracují přímo s velikostí virtuálního zdroje. Z tohoto plyne, že i elektronově optická soustava se zmenšením pouze 1:1 je schopna vytvořit na svém výstupu elektronový svazek v principu nanometrových rozměrů. I přes tuto výhodu je stále důležitým parametrem energiová šířka emitovaných elektronů. Tento energiový rozptyl od 0.3 eV (studené katody) do např. 5 eV (velmi proudově zatížené termo-autoemisní katody) zapříčiňuje zhoršení parametrů elektronového svazku (rozostření) jako důsledek chromatické vady elektronově optických elementů. Z tohoto důvodu je nutné zabývat se energiovým rozdělením elektronů ve svazku jak osvětlovacím, tak zobrazovacím a hledat metody, jak tento nepříznivý vliv omezit. Prvním předpokladem jak hodnotit z hlediska energiové šířky vlastní emitéry je sestrojit metrologické zařízení (energiový spekAll "tip" cathodes operate in direct emission mode. This means that they do not use spatial electrostatic charge to form a real electron beam junction, but instead work directly with the size of the virtual source. It follows that even an electron optical system with a reduction of only 1: 1 is able to create an electron beam at its output in the principle of nanometer dimensions. Despite this advantage, the energy width of the emitted electrons is still an important parameter. This energy dissipation from 0.3 eV (cold cathodes) to eg 5 eV (very current-loaded thermo-autoemission cathodes) causes a deterioration of the electron beam parameters (defocusing) as a result of a chromatic defect of the electron-optical elements. For this reason, it is necessary to deal with the energy distribution of electrons in the beam, both illumination and imaging, and to look for ways to reduce this adverse effect. The first prerequisite for how to evaluate own emitters in terms of energy width is to build a metrological device (energy spectrum)
-1 CZ 306268 B6 trometr), schopné měřit energiovou šířku elektronového svazku s rozlišením jednotek až desítek mV. Takovéto metrologické zařízení by pak sloužilo nejenom k vyhodnocení jednotlivých typů emitérů, ale současně i k ověření funkce případných monochromátorů určených k omezení energiové šířky emitovaných elektronů a tím i k omezení vlivu chromatické vady elektronové optiky na zobrazovací vlastnosti systému.-1 CZ 306268 B6 trometer), capable of measuring the energy width of an electron beam with a resolution of units up to tens of mV. Such a metrological device would then serve not only to evaluate individual types of emitters, but also to verify the function of possible monochromators designed to reduce the energy width of emitted electrons and thus to limit the effect of chromatic aberrations on electron optics.
Současně používaná zařízení tohoto typu dosahující potřebného energiového rozlišení v oblasti blízko 5 mV jsou velice nákladná a většinou nejsou určena k měření charakteristik elektronových zdrojů. Jedním z možných řešení je například využití spektrometru energiových ztrát (EELS), kterým bývají vybaveny prozařovací, respektive rastrovací prozařovací mikroskopy nejvyšší cenové kategorie. Tyto spektrometry jsou však určeny ke zkoumání energiových ztrát primárního svazku způsobených interakcí elektronů s materiálem studovaného preparátu, ale nejsou určeny k rutinní vývojové práci v oblasti elektronových zdrojů.Currently used devices of this type achieving the required energy resolution in the area close to 5 mV are very expensive and are usually not designed to measure the characteristics of electron sources. One of the possible solutions is, for example, the use of energy loss spectrometers (EELS), which are usually equipped with transmission or scanning transmission microscopes of the highest price category. However, these spectrometers are designed to investigate the energy losses of the primary beam caused by the interaction of electrons with the material of the studied preparation, but they are not intended for routine development work in the field of electron sources.
Je známo několik zařízení a způsobů zabývajících se energiovou ztrátou elektronů, zpravidla v elektronových mikroskopech. Například z EP 2 708 874 FEI Company je znám způsob vytváření tomografického zobrazení vzorku v částicovém mikroskopu, v němž se vzorek naklání vůči elektronovému svazku elektricky nabitých částic, zpravidla protonů nebo iontů. Obrazy získané v této první sadě se pak matematicky kombinují pro získání kompozitního obrazu. V následujícím postupu se spektrálním detektorem sejme druhá sada obrázků při různých náklonech vzorku pro získání spektrálních map, které se následně použijí pro získání kompozitního obrazu. Nezkoumá se zde tedy kvalita elektronového svazku, ale až signál obsahující již obraz vzorku. Tento způsob tedy nelze využít pro měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem v dostatečném rozlišení.Several devices and methods are known for dealing with energy loss of electrons, usually in electron microscopes. For example, EP 2 708 874 FEI Company discloses a method for creating a tomographic image of a sample in a particle microscope, in which the sample is tilted against an electron beam of electrically charged particles, usually protons or ions. The images obtained in this first set are then mathematically combined to obtain a composite image. In the following procedure, a second set of images is taken with a spectral detector at different inclinations of the sample to obtain spectral maps, which are then used to obtain a composite image. Thus, the quality of the electron beam is not examined here, but only the signal already containing the image of the sample. Therefore, this method cannot be used to measure the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source in sufficient resolution.
Z EP 2 387 062 FEI Company jsou známy detektory pro elektronově optický systém, umožňující detekci elektronů v různých energiových rozsazích, a způsob analýzy vzorku, kdy elektrony prošlé vzorkem jsou rozptylkou rozděleny do dvou energiových pásem a jsou detekovány dvěma detektory, z nichž druhý je uspořádán za rozptylkou a jeho signál je úměrný počtu elektronů ve druhém energiovém pásmu, přičemž tento druhý detektor je umístěn mezi rozptylkou a elektronovou optikou používanou pro projekci elektronů vyzařovaných vzorkem k prvnímu detektoru. Ani tento způsob nelze využít pro měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem v dostatečném rozlišení, neboť i zde se zkoumá energiový rozptyl elektronů prošlých vzorkem.EP 2 387 062 FEI Company discloses detectors for an electron-optical system enabling the detection of electrons in different energy ranges, and a method for analyzing a sample in which electrons passing through the sample are scattered into two energy bands and are detected by two detectors, the second of which is arranged behind the scatter and its signal is proportional to the number of electrons in the second energy band, the second detector being located between the scatter and the electron optics used to project the electrons emitted by the sample to the first detector. Even this method cannot be used to measure the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source in sufficient resolution, because even here the energy scattering of electrons passed through the sample is investigated.
Z JP H06310063 Hitachi Ltd. je známo elektronově optické zařízení měřící spektrum ztráty energie elektronů po průchodu vzorkem soustavou fotodiod nebo lineárním CCD čidlem. Toto zařízení nezkoumá kvalitu elektronového svazku, ale zjišťuje spektrální obraz vzorku. Proto ani tento způsob nelze využít pro měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem v dostatečném rozlišení.Z JP H06310063 Hitachi Ltd. an electron optical device is known for measuring the spectrum of electron energy loss after passing through a sample through a system of photodiodes or a linear CCD sensor. This device does not examine the quality of the electron beam, but detects the spectral image of the sample. Therefore, even this method cannot be used to measure the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source in sufficient resolution.
Z JP H0721966 Hitachi Ltd. je znám analytický prozařovací elektronový mikroskop umožňující kromě pozorování obrazu vzorku i elementární analýzu malé části vzorku. Tento mikroskop je schopen analyzovat energiovou ztrátu elektronů v malé části vzorku elektromagnetem a současně provést spektrální analýzu planárním detektorem. Ani toto zařízení nezkoumá kvalitu elektronového svazku, ale zjišťuje spektrální obraz vzorku. Proto ani tento způsob nelze využít pro měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem v dostatečném rozlišení.Z JP H0721966 Hitachi Ltd. an analytical transmission electron microscope is known which enables, in addition to observing the image of the sample, also elemental analysis of a small part of the sample. This microscope is able to analyze the energy loss of electrons in a small part of the sample by an electromagnet and at the same time perform a spectral analysis with a planar detector. Even this device does not examine the quality of the electron beam, but detects the spectral image of the sample. Therefore, even this method cannot be used to measure the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source in sufficient resolution.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry odstraňuje způsob měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem, uspořádaných ve vakuu, jehož podstatou je, že elektronový svazek ve vakuovém prostředí se nejdříve prvním magneThese shortcomings of the prior art are largely eliminated by a method of measuring the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source arranged in a vacuum, the essence of which is that the electron beam in a vacuum environment first first magnetizes.
-2 CZ 306268 B6 tickým polem zaostří a pro minimalizaci aberace se vymezí velikost apertumího úhlu elektronového svazku, který se pak druhým magnetickým polem vyhne do strany, vyhnutý elektronový svazek se třetím magnetickým polem rozšíří, načež se odečte a vyhodnotí čárové spektrum vytvořené rozšířeným elektronovým svazkem na scintilačním průhledovém stínítku.-2 CZ 306268 B6 to reduce the aberration, the size of the aperture angle of the electron beam is defined, which is then avoided to the side by the second magnetic field, the avoided electron beam expands with the third magnetic field, after which the line spectrum formed by the extended electron beam is read and evaluated. on a scintillation screen.
Ve výhodném provedení tohoto způsobu se před vyhodnocením čárového spektra vytvořeného rozšířeným elektronovým svazkem na scintilačním průhledovém stínítku čárové spektrum opticky zvětší.In a preferred embodiment of this method, the line spectrum is optically magnified before evaluating the line spectrum generated by the extended electron beam on the scintillation screen.
Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry rovněž odstraňuje energiový spektrometr pro měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem, uspořádaných ve vakuu, jehož podstata je dále popsaná. Tento energiový spektrometr obsahuje katodu s malým virtuálním zdrojem. K ní je přiřazena kondensorová čočka pro zaostření elektronového svazku emitovaného z katody s malým virtuálním zdrojem. Za kondensorovou čočkou je ve směru optické osy energiového spektrometru uspořádaná clona pro optimalizaci průměru elektronového svazku před jeho vstupem do magnetického hranolu pro vychýlení elektronového svazku, uspořádaného za clonou ve směru optické osy energiového spektrometru. Za magnetickým hranolem je ve směru optické osy energiového spektrometru uspořádáno první scintilační průhledové stínítko pro umožnění kontroly zaostření elektronového svazku. Za magnetickým hranolem ve směru optické osy magnetickým hranolem vychýleného elektronového svazkuje uspořádána projektorová čočka pro zvětšení rozměru spektra. Za projektorovou čočkou ve směru optické osy vychýleného elektronového svazku je uspořádáno druhé scintilační průhledové stínítko pro zobrazení čárového spektra energiového rozdělení elektronové emise.These shortcomings of the prior art are also largely eliminated by an energy spectrometer for measuring the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source arranged in a vacuum, the essence of which is described below. This energy spectrometer contains a cathode with a small virtual source. It is associated with a condenser lens for focusing the electron beam emitted from the cathode with a small virtual source. Behind the condenser lens, an aperture is arranged in the optical axis direction of the energy spectrometer to optimize the electron beam diameter before entering the magnetic prism to deflect the electron beam arranged behind the aperture in the optical axis direction of the energy spectrometer. Behind the magnetic prism, a first scintillation screen is arranged in the direction of the optical axis of the energy spectrometer to allow control of the focus of the electron beam. Behind the magnetic prism in the direction of the optical axis of the electron beam deflected electron beam, a projector lens is arranged to increase the size of the spectrum. A second scintillation screen is arranged behind the projector lens in the direction of the optical axis of the deflected electron beam to display the line spectrum of the energy distribution of the electron emission.
Ve výhodném provedení energiového spektrometru podle vynálezu je za druhým scintilačním průhledovým stínítkem pro zobrazení čárového spektra energiového rozdělení elektronové emise uspořádán optický objektiv.In a preferred embodiment of the energy spectrometer according to the invention, an optical objective is arranged behind the second scintillation screen for displaying the line spectrum of the energy distribution of the electron emission.
V jiném výhodném provedení energiového spektrometru podle vynálezu je pak k optickému objektivu přiřazena fotografická kamera.In another preferred embodiment of the energy spectrometer according to the invention, a photographic camera is then associated with the optical lens.
Objasnění výkresůExplanation of drawings
Vynález bude dále podrobněji popsán na přiložených výkresech, kde na obr. 1 je schematicky znázorněn způsob měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem a na obr. 2 je schematicky znázorněn energiový spektrometr pro měření energiového rozdělení elektronové emise z elektronové trysky.The invention will be further described in more detail in the accompanying drawings, in which Fig. 1 schematically shows a method of measuring the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source and Fig. 2 schematically shows an energy spectrometer for measuring the energy distribution of electron emission from an electron nozzle.
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention
V současné době perspektivní elektronové zdroje jsou tvořené hrotovými katodami typů autoemisních, respektive termo-autoemisních, a v této oblasti je z principu zaručeno, že rozměry virtuálních emisních zdrojů nepřekročí hranici 100 nm. Toto je relativně výhodná situace, poněvadž extrémně malý rozměr virtuálního zdroje nabízí relativně jednoduché řešení spektrometru založeného na disperzních vlastnostech magnetického sektorového pole či magnetického hranolu.Currently, promising electron sources are formed by tip cathodes of autoemission and thermo-autoemission types, respectively, and in this area it is guaranteed in principle that the dimensions of virtual emission sources do not exceed the limit of 100 nm. This is a relatively advantageous situation, as the extremely small size of the virtual source offers a relatively simple spectrometer solution based on the dispersion properties of a magnetic sector field or a magnetic prism.
Účelem vynálezu je takové uspořádání elektronového spektrometru, které umožňuje měření energiové šířky emitovaných elektronů libovolného elektronového zdroje pracujícího s hrotovými katodami, a to buď přímo, nebo po monochromatizaci elektronového svazku.The purpose of the invention is such an arrangement of an electron spectrometer which allows the measurement of the energy width of the emitted electrons of any electron source working with tip cathodes, either directly or after monochromatization of the electron beam.
To znamená, že pokud je velikost virtuálního zdroje menší než 100 nm, lze uspořádat tři základní elektronově optické prvky, to jest pomocný kondensor, magnetický hranol a projektor tak, aby vThis means that if the size of the virtual source is less than 100 nm, three basic electron-optical elements, i.e. an auxiliary capacitor, a magnetic prism and a projector, can be arranged so that in
-3 CZ 306268 B6 daném případě pracovaly s energiovým rozlišením, v závislosti na vlastní velikosti virtuálního zdroje, řádově v jednotkách mV.-3 CZ 306268 B6 in this case worked with energy resolution, depending on the actual size of the virtual source, in the order of mV.
Tato možnost velmi zjednodušeného a přitom efektivního uspořádání energiového spektrometru vyplývá ze skutečnosti, že i vzhledem k velmi malé energiové disperzi magnetických hranolů, řádově jednotek μιη/V lze díky malému rozměru obrazu virtuálního zdroje, řádově jednotek nm, dosáhnout v disperzní rovině rozlišení až 1000 čar na volt, což představuje teoretickou rozlišovací schopnost 1 mV.This possibility of a very simplified and at the same time efficient arrangement of the energy spectrometer results from the fact that even due to very small energy dispersion of magnetic prisms, of the order of μιη / V, a resolution of up to 1000 lines can be achieved in the dispersion plane due to the small image size of the virtual source, per volt, which represents a theoretical resolution of 1 mV.
Na obr. 1 je schematicky znázorněn způsob měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem, uspořádaných ve vakuu. Elektronový svazek 1 ve vakuovém prostředí se prvním magnetickým polem 2 zaostří a pro minimalizaci aberace se clonou 3 vymezí velikost apertumího úhlu elektronového svazku 1. Elektronový svazek 1 se přitom zaostří na prvním scintilačním průhledovém stínítku 4. Po zaostření elektronového svazku 1 se aktivuje druhé magnetické pole 5, kterým se elektronový svazek 1 vyhne do strany. Vyhnutý elektronový svazek 1 se pak třetím magnetickým polem 6 rozšíří, načež se odečte a vyhodnotí Čárové spektrum vytvořené rozšířeným elektronovým svazkem 1 na druhém scintilačním průhledovém stínítku 7. Toto čárové spektrum vytvořené rozšířeným elektronovým svazkem 1 na druhém scintilačním průhledovém stínítku 7 je pak možné ještě opticky zvětšit pro dosažení lepšího rozlišení.Fig. 1 schematically shows a method for measuring the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source arranged in a vacuum. The electron beam 1 is focused in the vacuum medium with the first magnetic field 2 and the apertum angle of the electron beam 1 is defined to minimize aberration with the aperture 3. The electron beam 1 is focused on the first scintillation screen 4. After focusing the electron beam 1, the second magnetic field is activated. 5, which avoids the electron beam 1 to the side. The avoided electron beam 1 is then amplified by the third magnetic field 6, after which the line spectrum formed by the extended electron beam 1 on the second scintillation screen 7 is read and evaluated. This line spectrum generated by the extended electron beam 1 on the second scintillation screen 7 is then also possible optically. enlarge to achieve better resolution.
Na obr. 2 je schematicky znázorněn energiový spektrometr pro měření energiového rozdělení elektronové emise z elektronové trysky 8 obsahující katodu s malým virtuálním zdrojem, uspořádané ve vakuu. V příkladném provedení byla použita hrotová katoda umístěná na svislé optické ose libovolně vzdálená od spektrometru a pracující v optimálním pracovním módu. K ní je přiřazena kondensorová čočka 9 pro zaostření elektronového svazku 1 emitovaného z malého virtuálního zdroje elektronové trysky 8. Za kondensorovou čočkou 9 je ve směru optické osy 10 energiového spektrometru uspořádaná clona 3 pro optimalizaci průměru elektronového svazku 1 před jeho vstupem do magnetického hranolu 11 pro vychýlení elektronového svazku 1, uspořádaného za clonou 3 ve směru optické osy 10 energiového spektrometru. Clona 3 je výměnná clona pro optimalizaci velikosti vstupního úhlu do spektrometru tak, aby byly eliminovány optické aberace magnetického hranolu.Fig. 2 schematically shows an energy spectrometer for measuring the energy distribution of the electron emission from the electron nozzle 8 containing a cathode with a small virtual source arranged in a vacuum. In an exemplary embodiment, a tip cathode placed on a vertical optical axis arbitrarily spaced from the spectrometer and operating in an optimal operating mode was used. Associated with it is a condenser lens 9 for focusing the electron beam 1 emitted from the small virtual source of the electron nozzle 8. Behind the condenser lens 9, an aperture 3 is arranged in the direction of the optical axis 10 of the energy spectrometer to optimize the diameter of the electron beam 1 before entering the magnetic prism 11. deflection of the electron beam 1 arranged behind the aperture 3 in the direction of the optical axis 10 of the energy spectrometer. Aperture 3 is a replaceable orifice for optimizing the size of the spectra input angle so as to eliminate optical aberrations of the magnetic prism.
Za magnetickým hranolem 11 je ve směru optické osy 10 energiového spektrometru uspořádáno první scintilační průhledové stínítko 4 pro umožnění kontroly zaostření elektronového svazku 1. Za magnetickým hranolem 11 ve směru optické osy 10 magnetickým hranolem 11 vychýleného elektronového svazku 1 je uspořádána projektorová čočka 12 pro zvětšení rozměru spektra. Za projektorovou čočkou 12 ve směru optické osy 10 vychýleného elektronového svazku 1 je uspořádáno druhé scintilační průhledové stínítko 7 pro zobrazení čárového spektra energiového rozdělení elektronové emise. Druhé scintilační průhledové stínítko 7 je na vodorovné optické ose následováno příslušným světelně optickým zvětšovacím a registračním systémem určeným pro fotometrické vyhodnocení získaných elektronových spekter.Behind the magnetic prism 11, in the direction of the optical axis 10 of the energy spectrometer, a first scintillation screen 4 is arranged to allow control of the focus of the electron beam 1. Behind the magnetic prism 11 in the direction of the optical axis 10 by the magnetic prism 11 of the deflected electron beam 1 spectrum. Behind the projector lens 12 in the direction of the optical axis 10 of the deflected electron beam 1, a second scintillation viewing screen 7 is arranged to display the line spectrum of the energy distribution of the electron emission. The second scintillation screen 7 is followed on the horizontal optical axis by a respective light-optical magnification and registration system intended for photometric evaluation of the obtained electron spectra.
Výhodou navrženého uspořádání je relativní jednoduchost celého zařízení, což může vést k jeho lepší dostupnosti. Jak již bylo popsáno, jádrem spektrometru je pravoúhlý magnetický hranol H. s kolmým vstupem i výstupem elektronových svazků vzájemně pootočených o úhel 90°. Takovýto magnetický hranol 11 zajišťuje vytvoření homogenního magnetického pole, které má schopnost fokusovat elektrony v rovině kolmé na směr homogenního magnetického pole a naopak nefokusovat elektrony ve směru magnetického pole. Tímto fyzikálním mechanismem jsou vytvořeny základní podmínky ke vzniku čárového elektronového spektra proto, že elektrony s jinou energií jsou v rovině kolmé na směr magnetického pole fokusovány do jiného místa spektrální plochy. Pro, například dvě, rozdílné energie elektronového svazku 1 vzniknou po průchodu magnetickým hranolem 11 dvě spektrální čáry, jejichž vzájemná vzdálenost bude úměrná jejich energiovému rozdílu. Schopnost separovat jednotlivé energiové svazky se nazývá energiová disperze.The advantage of the proposed arrangement is the relative simplicity of the whole device, which can lead to its better availability. As already described, the core of the spectrometer is a rectangular magnetic prism H. with a perpendicular input and output of electron beams rotated by 90 ° to each other. Such a magnetic prism 11 ensures the creation of a homogeneous magnetic field which has the ability to focus electrons in a plane perpendicular to the direction of the homogeneous magnetic field and, conversely, not to focus the electrons in the direction of the magnetic field. This physical mechanism creates the basic conditions for the formation of a line electron spectrum because electrons with a different energy are focused in a plane perpendicular to the direction of the magnetic field to another location on the spectral surface. For, for example, two different energies of the electron beam 1, two spectral lines are formed after passing through the magnetic prism 11, the mutual distance of which will be proportional to their energy difference. The ability to separate individual energy beams is called energy dispersion.
-4CZ 306268 B6-4CZ 306268 B6
Zásadním problémem je, že energiová disperze magnetických hranolů 11 je relativně malá a činí jednotky pm na V. Snímání takovéhoto spektra metodami přímého měření elektronového proudu v jednotlivých spektrálních čarách je velice nevýhodné, poněvadž rozměry příslušných selektivních clon, respektive detektorů, by musely být realizovány v nanometrových rozměrech, pokud je třeba dosahovat energiové rozlišovací schopnosti řádově v jednotkách mV. Tato okolnost vede k uspořádání, které využívá dalšího stupně zvětšení celého spektra cestou elektronově optickou. Umístění výkonné projektorové čočky 12 za výstupní hranou magnetického hranolu 11 dovoluje přenést obraz spektrální roviny zvětšený až 50 x na plochu průhledového scintilačního stínítka 7 s vysokým rozlišením. Takto jsou vytvořeny podmínky k dalšímu kroku snímání prostřednictvím fotometrických metod.The main problem is that the energy dispersion of the magnetic prisms 11 is relatively small and amounts to pm per V. Sensing such a spectrum by direct electron current measurement methods in individual spectral lines is very disadvantageous, since the dimensions of the respective selective orifices or detectors would have to be realized in nanometer dimensions if energy resolution of the order of mV is to be achieved. This circumstance leads to an arrangement that uses a further degree of magnification of the whole spectrum by the electron-optical path. The placement of a powerful projector lens 12 behind the output edge of the magnetic prism 11 makes it possible to transfer an image of the spectral plane magnified up to 50 times to the surface of the high-resolution scintillation screen 7. This creates the conditions for the next step of scanning by photometric methods.
Energiový spektrometr pro měření energiového rozdělení elektronové emise z katod s malým virtuálním zdrojem je sestaven ve vakuové komoře s vysokým vakuem opatřené nezávislými čerpacími prostředky. Druhé scintilační průhledové stínítko 7 je již na atmosférické straně opatřeno neznázoměným držákem vhodného optického objektivu následovaného kamerou.An energy spectrometer for measuring the energy distribution of electron emission from cathodes with a small virtual source is assembled in a vacuum chamber with a high vacuum equipped with independent pumping means. The second scintillation screen 7 is already provided on the atmospheric side with a holder (not shown) of a suitable optical lens followed by a camera.
Vstupní strana tohoto energiového spektrometru, nad kondenzorovou čočkou 9, je opatřena vakuovým mezikusem 13, což je pomocná příruba, umožňující připojení různých typů elektronových trysek 8 splňujících podmínky existence malého virtuálního emisního zdroje.The inlet side of this energy spectrometer, above the condenser lens 9, is provided with a vacuum adapter 13, which is an auxiliary flange, enabling the connection of various types of electron nozzles 8 meeting the conditions for the existence of a small virtual emission source.
Elektronické vybavení zajišťuje možnost nezávislého buzení obou magnetických čoček i magnetického hranolu 11 tak, aby bylo možno obsáhnout měření v širokém spektru energií, typicky od 1 do 30 ke V.The electronic equipment provides the possibility of independent excitation of both magnetic lenses and the magnetic prism 11 so that measurements can be included in a wide range of energies, typically from 1 to 30 to V.
Vzdálenost vlastního emitéru, tedy elektronové trysky 8, od vstupní clony 3 spektrometru není omezena rovněž tak, jako pracovní mód vlastní elektronové trysky 8, která může vytvářet divergentní, paralelní nebo konvergentní elektronový svazek 1. Spektrometr v navrhovaném uspořádání může obsáhnout měření na širokém typovém spektru elektronových trysek 8 respektive elektronových trysek 8 doplněných monochromátorem libovolného typu.The distance of the emitter itself, i.e. the electron nozzle 8, from the inlet orifice 3 of the spectrometer is not limited as well as the operating mode of the own electron nozzle 8, which can generate a divergent, parallel or convergent electron beam 1. The spectrometer in the proposed arrangement can include measurements on a wide type spectrum electron nozzles 8 or electron nozzles 8 supplemented by a monochromator of any type.
Podstata vynálezu tak spočívá v použití jedné universální kondensorové čočky 9 určené pro upravení parametrů vstupního elektronového svazku 1 do spektrometru, a to z různých typů elektronových trysek 8 pracujících v různých režimech, která je následovaná štěrbinovou clonou 3 pro vymezení velikosti apertumího úhlu elektronového svazku 1 před vstupem do oblasti magnetického pole magnetického hranolu 11. Magnetický hranol 11 na základě svých energiové disperzních vlastností, kdy úhel zahnutí elektronového svazku 1 je 90°, vytvoří na svém výstupu čárové spektrum elektronů, přičemž tloušťka spektrální čáry pro jednu danou energii se bude zhruba rovnat velikosti virtuálního zdroje zkoumaného emitéru, to jest elektronové trysky 8, a bude tedy v jednotkách nm. Vzhledem k disperzní mohutnosti magnetického hranolu 11 bude vzdálenost spektrální čáry s energií o 1 eV vyšší řádově několik um od původní. Je tedy možné tvrdit, že lze 1 eV změny energie zkoumat s potenciální rozlišovací schopností až 1000 čar na 1 eV.The essence of the invention thus consists in the use of one universal condenser lens 9 intended for adjusting the parameters of the input electron beam 1 to the spectrometer, from different types of electron nozzles 8 operating in different modes, followed by a slit aperture 3 to define the aperture angle of the electron beam 1 before by entering the region of the magnetic field of the magnetic prism 11. The magnetic prism 11, based on its energy dispersion properties, when the angle of curvature of the electron beam 1 is 90 °, creates a line spectrum of electrons at its output, the thickness of the spectral line for one given energy being roughly equal to of the virtual source of the emitter under investigation, i.e. the electron nozzle 8, and will therefore be in units of nm. Due to the dispersing power of the magnetic prism 11, the distance of the spectral line with an energy 1 eV will be of the order of a few μm higher than the original. Thus, it can be argued that 1 eV of energy change can be examined with a potential resolution of up to 1000 lines per 1 eV.
Takto komprimované elektronové spektrum je však obtížné monitorovat. Nabízí se proto možnost zvětšit příslušnou elektronovou projekční čočkou toto spektrum například 50x tak, aby po projekci na příslušném vysokorozlišovacím průhledovém stínítku vznikl obraz spektra snímatelný již prostředky světelné mikroskopie ve spolupráci s příslušnou kamerou. Vzhledem k omezeným možnostem zvětšování světelně optickým prvkem a kamerou lze za racionální dosažitelnou hranici energiového rozlišení považovat hodnotu 5 mV.However, such a compressed electron spectrum is difficult to monitor. It is therefore possible to magnify this spectrum with the appropriate electron projection lens, for example 50 times, so that after projection on the respective high-resolution viewfinder, an image of the spectrum can be created which can already be detected by light microscopy in cooperation with the respective camera. Due to the limited possibilities of magnification by a light-optical element and a camera, a value of 5 mV can be considered as a rational achievable limit of energy resolution.
Přitom vlastní elektronově optické zvětšení primárního spektra vede sice i ke zvětšení obrazu virtuálního zdroje, ale nevede tím ke zmenšení disperzního poměru. Obraz virtuálního zdroje je zvětšen právě tolikrát, kolikrát disperzní rozsah.The actual electron-optical enlargement of the primary spectrum also leads to an enlargement of the image of the virtual source, but it does not lead to a reduction of the dispersion ratio. The image of the virtual source is magnified just as many times as the dispersion range.
-5CZ 306268 B6-5CZ 306268 B6
Dále je zřejmé, že magnetický hranol 11 s kolmým dopadem i výstupem elektronového svazku 1 fokusuje elektronový svazek 1 pouze v rovině kolmé na směr homogenního magnetického pole. V rovině rovnoběžné se směrem magnetického pole magnetický hranol 11 nefokusuje a zachovává si tedy přirozenou divergenci elektronového svazku 1 odpovídající situaci před vstupem do magnetického hranolu 1_1. Toto je tedy mechanismus vzniku čárového spektra. Velkou výhodou je, že při fotometrickém měření šířky spektrálních čar lze toto měření opakovat mnohokrát, tedy v každém místě spektrální čáry, a získané výsledky statisticky zpracovat a konečný výsledek tak očistit od vlivů statistického šumu. Je nasnadě provést měření například v každém z 1024 sloupců monitoru a získat takto relativně velký statistický soubor.Furthermore, it is clear that the magnetic prism 11 with the perpendicular impact and the output of the electron beam 1 focuses the electron beam 1 only in a plane perpendicular to the direction of the homogeneous magnetic field. In the plane parallel to the direction of the magnetic field, the magnetic prism 11 does not focus and thus retains the natural divergence of the electron beam 1 corresponding to the situation before entering the magnetic prism 11. This is the mechanism of the line spectrum. The great advantage is that in the photometric measurement of the width of the spectral lines, this measurement can be repeated many times, i.e. at each location of the spectral line, and the obtained results can be statistically processed and the final result thus cleaned of the effects of statistical noise. It is obvious to perform measurements in each of the 1024 columns of the monitor, for example, and thus obtain a relatively large statistical file.
Vlastní energiovou kalibraci elektronového spektrometru je výhodné provádět před každým měřením šířky spektrální čáry. Pro různé nastavení buzení jak kondensorové čočky 9, tak projektorové čočky 12, respektive čočky spojené s měřenou elektronovou tryskou 8, bude hodnota kalibrace různá. Metoda kalibrace u popsaného systému je založena na prosté změně energie elektronového svazku o například +/- 5 eV a zjištění počtu pixelů obě spektrální čáry dělící. Tímto procesem dostaneme jednoznačnou kalibrační konstantu ve voltech na pixel pro právě aktuální nastavení systému.It is advantageous to perform the actual energy calibration of the electron spectrometer before each measurement of the spectral line width. For different excitation settings of both the condenser lens 9 and the projector lens 12, or the lens connected to the measured electron nozzle 8, the calibration value will be different. The calibration method of the described system is based on a simple change of the electron beam energy by, for example, +/- 5 eV and a determination of the number of pixels dividing the two spectral lines. By this process we get a unique calibration constant in volts per pixel for the current system settings.
Ukazuje se, že největšího pokroku v oboru elektronové mikroskopie za posledních 30 let bylo dosaženo díky vývoji nových typů elektronových zdrojů. Jedná se především o zdroje s velkým jasem, které jsou schopny dodávat maximální možný proud elektronů do minimálních průměrů svazků. Již tato okolnost napovídá, že fyzikální hranice těchto vývojových kroků leží v oblasti vzájemného elektron-elektronového působení, které nejenže elektronový svazek prostorově „rozpuzuje“, ale radikálně mění i jeho energiovou šířku. Změna tohoto důležitého parametru je závislá na způsobu, jak vzniká samotná emise elektronů, ale i na způsobu vedení elektronového svazku za emitérem. Příkladem rizikových řešení mohou být nadbytečná křižiště svazku, oblasti šíření svazku v paralelním režimu a snižování celkové energie svazku, které je stále více aktuální vzhledem k různým typům aplikace, např. pro polovodičový průmysl, pozorování genetických struktur, a podobně.It turns out that the greatest progress in the field of electron microscopy in the last 30 years has been made thanks to the development of new types of electron sources. These are mainly high-brightness sources that are able to supply the maximum possible current of electrons to the minimum beam diameters. This circumstance already suggests that the physical boundaries of these evolutionary steps lie in the region of electron-electron interaction, which not only spatially "expels" the electron beam, but also radically changes its energy width. The change of this important parameter depends on the way in which the electron emission itself arises, but also on the way in which the electron beam is guided behind the emitter. Examples of risky solutions include redundant beam junctions, beam propagation areas in parallel mode, and the reduction of total beam energy, which is increasingly relevant due to different types of applications, eg for the semiconductor industry, observation of genetic structures, and the like.
Do budoucna je velmi důležitá možnost verifikace účinku nově vyvíjených systémů pro monochromatizaci elektronových svazků. Ty budou stále více používány jako korektory vlivu chromatické vady, která je jednou z hlavních příčin nemožnosti dosahovat vyššího rozlišení v elektronových mikroskopech jak prozařovacího, tak rastrovacího, respektive prozařovacího rastrovacího typu.In the future, the possibility of verifying the effect of newly developed systems for monochromatization of electron beams is very important. These will be increasingly used as correctors for the effect of chromatic aberration, which is one of the main reasons for the impossibility of achieving higher resolution in electron microscopes of both transmission and scanning, or transmission scanning type.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Využití shora popsaného sestavení elektronového spektrometru se předpokládá v laboratořích úzce spolupracujících se skupinami vývoje elektronových zdrojů.The use of the electron spectrometer assembly described above is expected in laboratories working closely with electron source development groups.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-373A CZ306268B6 (en) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | Method of measuring energy distribution of cathode electron emission with small virtual source and energy spectrometer for making the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-373A CZ306268B6 (en) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | Method of measuring energy distribution of cathode electron emission with small virtual source and energy spectrometer for making the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2014373A3 CZ2014373A3 (en) | 2015-12-09 |
| CZ306268B6 true CZ306268B6 (en) | 2016-11-09 |
Family
ID=54771427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2014-373A CZ306268B6 (en) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | Method of measuring energy distribution of cathode electron emission with small virtual source and energy spectrometer for making the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ306268B6 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06310063A (en) * | 1993-04-21 | 1994-11-04 | Hitachi Ltd | Parallel detection type energy loss analyzer |
| JPH0721966A (en) * | 1993-07-05 | 1995-01-24 | Hitachi Ltd | Analysis electron microscope |
| EP2387062B1 (en) * | 2010-05-12 | 2012-10-17 | FEI Company | Simultaneous electron detection |
| EP2708874A1 (en) * | 2012-09-12 | 2014-03-19 | Fei Company | Method of performing tomographic imaging of a sample in a charged-particle microscope |
-
2014
- 2014-06-02 CZ CZ2014-373A patent/CZ306268B6/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06310063A (en) * | 1993-04-21 | 1994-11-04 | Hitachi Ltd | Parallel detection type energy loss analyzer |
| JPH0721966A (en) * | 1993-07-05 | 1995-01-24 | Hitachi Ltd | Analysis electron microscope |
| EP2387062B1 (en) * | 2010-05-12 | 2012-10-17 | FEI Company | Simultaneous electron detection |
| EP2708874A1 (en) * | 2012-09-12 | 2014-03-19 | Fei Company | Method of performing tomographic imaging of a sample in a charged-particle microscope |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Kolarík V., Coufalová E., Mynár M., Drsticka M.: Energy analyzer for point electron sources, IT-1-P-2688, www clánek, 15.08.2014 * |
| T. Walthera, E. Quandta, H. Stegmannb, A. Thesenb, G. Bennerb: First experimental test of a new monochromated and aberration-corrected 200 kV field-emission scanning transmission electron microscope, Ultramicroscopy 106 (2006) 963-969, 10.04.2006 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2014373A3 (en) | 2015-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8859966B2 (en) | Simultaneous electron detection | |
| JP3403036B2 (en) | Electron beam inspection method and apparatus | |
| JP6301269B2 (en) | Analytical equipment for particle spectrometer | |
| KR102207766B1 (en) | Secondary electron optics & detection device | |
| JP5727564B2 (en) | Method for investigating and correcting aberrations in charged particle lens systems | |
| US8334508B1 (en) | Mirror energy filter for electron beam apparatus | |
| KR102687322B1 (en) | Eels detection technique in an electron microscope | |
| JP7194849B2 (en) | electron optical system | |
| CN107301940A (en) | Method and the charged particle beam apparatus of execution this method for object analysis | |
| US20240258067A1 (en) | Transmission charged particle microscope with an electron energy loss spectroscopy detector | |
| CN105261544B (en) | Calibration scan transmits the microscopical method of charged particle | |
| JP6266467B2 (en) | Electron microscope and monochromator adjustment method | |
| US11024483B2 (en) | Transmission charged particle microscope with adjustable beam energy spread | |
| US9543115B2 (en) | Electron microscope | |
| US11139143B2 (en) | Spin polarimeter | |
| CN111627787A (en) | Multi-beam scanning transmission charged particle microscope | |
| US8008629B2 (en) | Charged particle beam device and method for inspecting specimen | |
| CZ306268B6 (en) | Method of measuring energy distribution of cathode electron emission with small virtual source and energy spectrometer for making the same | |
| JP5815826B2 (en) | Analytical equipment for particle spectrometer | |
| JP2018190731A (en) | Particle source for producing particle beam and particle-optical apparatus | |
| CN114488263A (en) | Method for determining the energy width of a charged particle beam | |
| JP2021036215A (en) | Particle observation method |